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[News] 2014, Science Times, Prof. Jong Kyu Kim
[News] 2014, Science Times, Prof. Jong Kyu Kim
글쓴이 : 최고관리자   날짜 : 14-10-13 00:13  
조회 : 1,135

햇볕으로 물에서 수소에너지를 만들다

[인터뷰] 김종규 포항공과대학교 신소재공학과 교수


환경 대체 에너지원을 개발하는 일은 전 세계적으로 중요한 이슈 중 하나다. 특히 수소는 제2의 대체 에너지원으로 주목받고 있는데, 그 이유는 연료로 사용할 경우에도 이산화탄소 배출이 전혀 없을 뿐 아니라 다른 에너지로의 전환이 쉽고 저장이 가능하기 때문이다. 뿐만 아니라 장거리 운송이 용이하고 질량당 에너지 저장성과 이산화탄소 배출 관점에서 볼 때 수소 에너지는 다른 어떤 연료에 비해 친환경적이고 미래 지향적인 에너지로 평가받는다.

문제는 수소 에너지를 얻는 방식이다. 현재는 화석연료로 부터 얻고 있지만 사실 가장 편리한 방식은 물로부터 얻는 것이다. 물(H2O)은 지구 어디에나 존재하지만 매우 안정적인 성질을 갖고 있기 때문에 섭씨 200o 도(℃)상으로 올라가야지만 산소와 수소가 분해될 수 있다. 엄청난 온도가 필요했던 것이다. 이로 인해, 그동안 물로부터 수소에너지를 생산하는 일은 거의 불가능하게 받아들여졌다.

햇빛으로 물을 분해하다

국내 연구진이 햇빛, 즉 태양광에너지를 활용해 물을 수소와 산소로 분해하는 새로운 나노소재를 개발해 주목을 받고 있다. 김종규 포스텍 신소재공학과 교수팀과 박종혁 성균과대 화학공학부 교수팀이 공동으로 연구를 진행, 청정에너지인 수소를 태양광과 물 만을 활용해 생산하는 기술을 만든 것이다. 해당 연구는 그 성과를 인정받아 국제학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 지 온라인 판에 게재되기도 했다.


“수소에너지에 대해 먼저 설명 드리겠습니다. 현재 세계는 석유와 천연가스 등 화석연료를 과다하게 사용함으로 인해 환경오염과 자원 고갈 문제가 발생하고 있습니다. 이에 따라 신재생 청정 에너지에 대한 관심이 커지고 있는 상태입니다. 그 중에서도 주목받는 것은 수소인데, 수소는 아주 적은 양으로 많은 에너지를 얻을 수 있으면서 동시에 이산화탄소와 황산화물, 질소산화물 같은 환경오염 물질을 배출하지 않습니다. 때문에 차세대 에너지원으로 사용하기 위한 많은 연구가 이뤄지고 있는 상황이죠. 그러나 현재 수소는 화석연료를 화학적으로 처리해 발생시키고, 그 과정에서 필연적으로 이산화탄소가 발생하고 있어요. 때문에 수소 자체는 친환경 에너지일지 몰라도, 그것을 생산하는 과정은 이미 ‘신재생’ 혹은 ‘청정’과는 이미 거리가 멀어지게 되죠. 그래서 연구자들은 태양으로부터 지구로 입사되는 어마어마한 태양광 신재생 에너지를 이용하면 어떨까 생각했습니다. 이를 이용해 물을 분해해서 수소에너지를 친환경적으로 얻을 수 있다면, 미래 환경-에너지문제를 해결할 수 있지 않을까 싶었던 거죠.”

김종규 교수에 따르면 태양광을 이용해 물을 산소와 수소로 분해하는 기술은 이미 1970년 대부터 연구가 진행된 바 있다. 1970년대부터 연구된, 태양광으로 물을 분해해 수소를 생산하는 일은 ‘성배(Holy grail)’ 라고 불리곤 했다. ‘성배’란 중세시대부터 전해내려오는 전설로 그리스도가 최후의 만찬에서 썼다는 술잔을 의미한다. 지구 어디에나 존재하는 물을 가치있는 수소 에너지로 마법같이 변환한다는 뜻이다.

1972년, 일본 과학자 후지시마 교수와 혼다 교수가 금속산화물 반도체가 태양광 에너지를 흡수해 만들 수 있는 전자와 정공을 이용하면 상온에서도 물을 전기화학적으로 분해할 수 있다는 것을 발견했지만, 당시 태양광 에너지를 수소로 변환할 수 있는 효율은 1%도 채 되지 않았다. 1970년대부터 기술은 존재했지만 분해 효율이 매우 낮아 상업화 가능성은 엄두도 낼 수 없던 것이다. 이후 많은 과학자들이 40여 년 동안 연구를 수행하고 있지만 효율 증가는 미미한 수준이었다.

김 교수는 “당연한 이야기지만 물분해 효율이 증가하려면 첫째, 태양광이 물분해 물질에 효과적으로 흡수돼야 하고 둘째, 흡수된 태양광으로부터 생성된 전기가 물을 분해하는 데까지 효과적으로 전달돼야 한다”며 “두 가지 모두 중요한 셈”이라고 강조했다.

“저희팀이 개발한 기술은 나노 꼬임 구조를 갖는 텅스텐 산화물과 그 위에 수 나노미터로 코팅된 비스무스 바냐듐이라는 물질을 이용해 태양광 흡수 효율과 전기 전달 효율을 동시에 증가시키는 기술입니다. 이를 이용해 태양광-수소 변환 효율을 획기적으로 높이는 연구 결과를 발표한 것이죠.”

최근 가장 각광받는 물분해 광촉매 소재는 비스무스 바나듐 산화물이다. 그러나 높은 가시광 영역의 태양광을 흡수할 수 있는 우수한 능력에도 불구하고 높은 전자,홀 재결합의 문제로 인해 이론 상 수소생산 값의 절반에도 미치지 못하는 수준이어서 상업화 가능성이 매우 낮았다. 이런 가운데 김종규 교수팀은 새로운 방법으로 접근해 물분해 효율을 상당부분 높일 수 있었다.

연구팀이 사용한 방법은 텅스텐 산화물을 꼬아 만든 구조에 태양광 흡수에 유리한 미스무스 바냐듐 산화물을 코팅한 물질을 광전극 소재로 사용하는 것이었다. 그 결과 연구결과는 태양광 물분해 효율을 6% 이상으로 개선했다. 실용화에 필요한 최소 효율이 10% 인데, 이 방향으로 갈 수 있는 발판을 마련한 것이다. 여기서 물분해 효율이란 태양광 에너지를 100이라 할 때 생산할 수 있는 수소의 총 에너지를 의미한다. 효율이 6% 라는 의미는 태양광 에너지의 6%에 해당하는 에너지를 수소에너지로 변환할 수 있다는 뜻이다. 물 분해에 쓰이고 있는 대표적인 광촉매 소재인 티타늄 금속산화물과 대비 했을 때 10배 이상의 수소가 생산된다는 의미로 볼 수 있다.

그렇다면 김종규 교수팀은 이러한 아이디어를 어디서 얻을 수 있었을까. 그는 “여러 가지 물질로 3차원 나노꼬임 구조를 만들고 이 구조의 특성에 관해 연구를 진행하고 있었다”며 “그러던 중 이 구조가 빛을 잘 가둘 수 있고 표면적이 넓기 때문에 태양광을 이용한 물분해 물질로 큰 이점이 있다고 생각했다”고 이야기 했다.

“전기적 특성이 좋은 텅스텐 산화물로 나노꼬임 구조를 만들고, 그 넓은 표면에 태양광을 효과적으로 흡수하는 비스무스 바냐듐 산화물을 수 나노 두께로 코팅함으로써 태양광 흡수 효율을 극대화 시켰습니다. 동시에 생성된 전기가 물분해로 전달되는 효율까지 높일 수 있었습니다. 가장 효과적인 나노꼬임 구조와 두 물질이 갖고 있는 시너지효과를 실현하기 위해 박종혁 교수님의 연구팀과 수많은 아이디어 회의와 실험을 거쳤어요. 이러한 꾸준한 노력 덕분에 약 1년 동안의 연구 끝에 좋은 연구성과를 얻을 수 있었습니다.”

수많은 반복 실험 끝에 얻은 결과


약 1년의 시간 동안 얻은 성과. 기간이 생각보다 짧았지만, 그 과정 가운데 어려움이 없던 것은 결코 아니다. 김종규 교수는 “최적화된 물질의 조합을 만들고 나노꼬임 구조를 얻기 위해서는 실험과 결과에 대한 해석이 필요했다”며 “다음 실험에 대한 계획 수립을 반복적으로 하는 것도 필수”라고 이야기 했다. 이어 그는 “학생들이 묵묵히 이 과정을 소화하지 않았다면 이러한 결과는 결코 얻을 수 없었을 것”이라며 연구 성과의 공을 학생들에게 돌렸다.

김종규 교수가 이번 연구를 진행한 것은 그의 연구진이 약 10년 전 부터 태양광을 활용한 물분해 수소생산 연구를 진행해 왔던 것에 이어진다. 특히 공동연구를 진행한 박종혁 교수는 선행논문에서 금속산화물의 일차원 나노구조화의 중요성을 알아냈고, 이 논문은 다른 연구자들에게 800번이 넘게 피인용이 되곤 했다. 그만큼 많은 기술적 향상을 가져온 연구였던 것이다. 하지만 그럼에도 불구하고 여전히 태양광-물분해 효율이 3% 대에 머물고 있는 상황에서, 김종규 교수팀은 상업화를 위한 최소한의 효율인 10% 대에 도달해 보자는 결심을 하게 됐다.

“저희팀의 이번 연구는 나노꼬임 구조를 도입함으로써 두 마리 토끼를 한 번에 잡은 사례라고 할 수 있어요. 앞서도 말씀 드렸듯 텅스텐 산화물이나 비스무스 바냐듐 산화물은 나노입자나 나노막대의 형태로 기존의 연구에서도 사용됐던 물질입니다. 하지만 물분해 효율을 높이기 위한 두 가지 조건, 즉 태양광의 효과적 흡수와 전기의 효율적인 전달을 동시에 만족시키지는 못했어요. 그것을 해결하는 게 결코 만만치 않았던 거죠. 하지만 저희 연구팀은 그러한 결과를 만족시켰다고 볼 수 있습니다.”

김종규 교수팀이 진행한 이번 연구의 가장 중요한 성과는 무엇보다 태양광-수소 변환 효율을 6% 까지 끌어 올렸다는 점이다. 또한, 약 일주일 동안 태양빛 아래에서 물분해 수소생산 실험을 진행했으며 기존의 대표적인 광촉매 소재인 티타늄 금속 산화물가 대비했을 때 약 10배 이상의 수소가 생산되는 사실을 확인할 수 있었다.

이러한 효율성과 더불어 기존의 가장 큰 문제였던 장기 안정성도 크게 향상됐다. 김종규 교수는 “지난 40여 년 간의 오랜 연구에도 불구하고 낮은 변환 효율과 장기 안정성의 문제로 인해 상업화에 적용할 경우 우려가 많았는데, 이번 연구를 통해 상업화의 가능성을 보여준 게 가장 큰 성과라고 생각한다”고 이야기 했다.

앞으로 태양광 물분해 분야에서 태양광-수소 변환 효율을 10% 이상으로 향상시킬 수 있는 새로운 소재와 구조, 반응 메커니즘에 대한 깊은 연구를 수행할 것이라는 김종규 교수. 그는 신재생 청정 에너지원인 수소 생산의 실용화에 원천기술이 될 후속 연구를 수행할 예정이라고 이야기 했다. 더불어 “이번 연구에서 제안된 구조와 컨셉은 여러 태양전지와 센서에도 적용될 수 있다”며 “이에 대한 연구를 지속적으로 진행할 예정”이라고 덧붙였다.